许 伟， 海 芳， 刘 浩， 杨 锐， 郝丽芬， 王学川

(1.陕西科技大学 轻化工程国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 生物与功能材料研究所， 陕西 西安 710021； 3.陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

目前，塑料被广泛地应用于食品包装材料方面[1].但是塑料包装难降解，污染环境，对人们的健康存在潜在的风险.因此，环境管理部门鼓励研究者对可食用膜进行研究[2].可食用膜的优点是可以食用，同时具备良好的包装性能，如抗氧化性、良好的机械性能、抗菌性、容易降解等[3].

胶原蛋白是动物结缔组织中的主要成分，是动物体内含量最多、分布最广、具有免疫学性质的蛋白质[4].由于其天然的三股螺旋结构、无毒、生物相容性好且具有良好的成膜性，在皮革、生物医学、包装、化妆品等方面具有广泛的应用.胶原蛋白来源于牛、羊、鱼、鸡等各种不同的动物，特别是牛皮胶原蛋白，在食品、医疗、化妆品等方面具有重大应用前景[5].牛干灰皮胶原纤维作为制革加工中产生的废弃物，成本低且含有丰富的胶原蛋白，因而可在食品、医疗、化妆品等多领域具有较大的应用价值.但是，纯胶原蛋白膜力学性能差，较脆，需要通过添加化学交联剂[6,7]或与纤维素[8]、壳聚糖[9]、淀粉[7]等进行复合，再加入增塑剂如甘油或者山梨醇以提高胶原复合膜的综合性能.

茶多酚是一种分子内含有多酚结构的天然产物.能够与蛋白质、多糖形成氢键等相互作用[10].对胶原蛋白的稳定性可起重要作用[11].近年来，由于茶多酚的低成本、无毒、丰富度高和生物相容性好等优点[12,13]，应用在食品工业中可提高食品包装的物理和功能特性，因此，越来越受到人们的关注.

基于此，本研究的目的是初步探讨以牛干灰皮胶原纤维为原料，通过回湿、酸溶胀和磨浆处理，再分别与不同浓度的茶多酚和甘油充分分散后采用溶液铸膜法制备系列胶原复合膜(CCF).以考察不同浓度的茶多酚对胶原复合膜结构、热性能、亲疏水性、微观形貌和机械性能的影响.

1 实验部分

1.1 材料与试剂

牛干灰皮胶原纤维，由维斯克凡(苏州)科技有限公司提供；茶多酚，工业品，陕西慧科植物开发有限公司；盐酸，AR(36%～38%)，成都市科隆化学品有限公司；甘油，AR，天津天锋化学品有限公司.

1.2 仪器与设备

GSD 800×600不锈钢控温对比试验转鼓(无锡新达皮革机械制造公司)；PFI型磨浆机(日本KRK公司)；RW20型顶置式机械搅拌器(德国IKA公司)；Vertex70型傅里叶转换红外光谱(德国Bruker)；D8 ADVANCE型X射线衍射仪(德国Bruker)；DSC7000X型差示扫描量热仪(日本日立公司)；OCA20型光学接触角(德国Dataphysics公司)；VEGA3型扫描电镜(捷克Tescan公司)；MH-YDI型数字皮革厚度测量仪(陕西科技大学阳光电子研究所)；1036PC型万能材料试验机(台湾宝大仪器有限公司).

1.3 胶原复合膜的制备

称适量的牛干灰皮胶原纤维于转鼓中，加4倍的水回湿24 h，再加2 wt%～4 wt%(基于牛干灰皮胶原纤维)的盐酸于转鼓中并转动转鼓使其分散均匀，酸膨胀24 h，然后水洗若干次，使浴液的pH达3.0.然后取膨胀的皮浆用绞肉机打碎，接着用磨浆机把打碎的胶原磨成浆.

参考文献[14]的方法制备牛干灰皮-茶多酚胶原复合膜，胶原复合膜的成膜液配方表如表1所示.首先，检测牛胶原纤维皮浆的含水量，然后据此控制每个成膜液中的胶原质量浓度为20 g/L，依次加入皮胶原和甘油于去离子水中，在45 ℃的条件下高速搅拌1 h，随后将不同量(0、0.2%、1.0%和1.8%，基于干基胶原)的茶多酚加入上述混合溶液，搅拌均匀.最后，将成膜液倒入聚四氟乙烯膜具中.在35 ℃下干燥3天，待膜干燥后放于25 ℃和50%的相对湿度下平衡48 h后待用.

表1 胶原复合膜的成膜液配方表

1.4 测试方法

1.4.1 傅里叶变换红外光谱

采用薄膜法制样，以ATM模式测试，分辨率为2 cm-1，扫描次数32次，扫描范围4 000～400 cm-1.

1.4.2 X射线衍射

使用X射线衍射仪在Cu Kα(波长0.154 nm)辐射、运行状况45 mA和45 kV条件下，对CCF膜进行检测分析，衍射角范围5 °～60 °，衍射步长为0.02 °，衍射步时为0.1 s.

1.4.3 热性能

使用差示扫描量热仪，对CCF膜的热性能进行测试.样品(3～4 mg)在10 ℃～200 ℃的扫描温度下以10 ℃/min加热[15].

1.4.4 扫描电子显微镜

先将CCF膜在液氮中冷冻脆断，用导电胶将脆断的横截面和CCF膜表面分别固定在载物台上并喷金，真空条件下用扫描电子显微镜在20 kV或10 kV的加速电压下对CCF膜的断面和表面形貌进观测，放大倍数分别为1 000和200.

1.4.5 水接触角的测定

采用固着滴法，用视频光学接触角测量仪对CCF膜进行水接触角测试，每个样品测量5次，结果取平均值，所用介质为蒸馏水，液滴5 μL.

1.4.6 薄膜厚度的测定

将样品薄膜用哑铃形的磨具制样，采用数字皮革厚度测定仪测出哑铃形的薄膜，测两端和中间的位置，最后求出平均值.

1.4.7 机械性能的测定

室温下，用万能试验机对CCF膜进行机械性能的测定，实验控制负荷1 000 N，入口速度20 mm/min，拉伸速度5 mm/min.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱

本研究所制得的几个CCF的红外光谱图如图1所示.从图1可见，4个CCF的红外光谱图外形和吸收峰的位置基本相同.3 300 cm-1、3 080 cm-1、1 640 cm-1、1 549 cm-1和1 244 cm-1处的吸收峰分别来自于胶原肽链的酰胺-A、酰胺-B、酰胺-Ⅰ、酰胺-Ⅱ和酰胺-Ⅲ带的吸收[16,17]，也即N-H的伸缩振动吸收、与N-H毗邻的C-H的伸缩振动吸收、C=O的伸缩振动、N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动的叠加峰、C-N的面内振动和甘氨酸中-CH2-的面外摇摆振动的叠加峰.2 935 cm-1和2 880 cm-1处为-CH2-的不对称和对称伸缩振动吸收.1 450 cm-1处为吡咯烷环的振动吸收峰[16,18].此外，4个CCF的红外谱图中酰胺-Ⅲ带与1 450 cm-1处吸收峰的吸光度的比值在1.003～1.037，说明4个CCF内胶原肽链的三股螺旋结构保持完整[17].

图1 CCF的红外光谱图

2.2 XRD分析

采用X射线衍射分析可以研究不同胶原复合膜内的分子结构，如胶原三股螺旋结构的含量或分子间横向堆积距离[17,19,20].图2为几个CCF及茶多酚(TP)的XRD图.由图2可以看出，TP在2θ=19.4 °处有一宽弥散峰，说明其结构主要为无定型.几个CCF均有两个明显的特征峰，即2θ=7 °～8 °处的尖峰和2θ=20 °处宽的弥散峰，它们分别代表胶原左手螺旋肽链横向堆积距离和三股螺旋中氨基酸残基的距离，后者表示CCF内以无定形结构为主[21].而且随着茶多酚的用量增加，2θ=7 °～8 °处尖峰的峰位向小角度移动，2θ= 20 °处宽弥散峰的强度有增大趋势.原因可能如下：茶多酚的引入填充分散于胶原纤维链间，使得胶原左手螺旋肽链横向堆积距离变大；同时，也使三股螺旋结构含量下降，无定形结构增加.故造成CCF中两个特征峰随着TP添加量的增加，尖峰峰位向小角度移动，宽弥散峰的强度增大.

图2 CCF的XRD图

2.3 热性能

CCF的DSC曲线如图3所示.从图3可以看出，所有膜样品都有一个吸热峰，为胶原纤维的三股螺旋结构转化为杂乱无序的单链结构的转化峰，峰值温度的变化与胶原纤维分子的降解过程密切相关[22].而CCF-0、CCF-1、CCF-2和CCF-3的峰值温度分别为63.3 ℃、71.3 ℃、88.3 ℃和90.7 ℃，随着茶多酚用量的增加而逐渐增大，说明CCF的热稳定性逐渐增强.由于茶多酚的加入，它的酚羟基可与胶原纤维上的活性基团(肽链、侧链上的氨基、羟基、羧基等)间可形成氢键或其它形式的作用力，从而使得CCF在受热发生分子链运动时受阻，故CCF的热稳定性逐渐增强[23-25].

图3 CCF的DSC曲线

2.4 膜形貌

为获得CCF的表面和断面形貌，我们用扫描电镜对CCF的表面和断面微观形态进行观察拍照，其结果分别如图4和图5所示.

图4 CCF表面的SEM

图5 CCF断面的SEM

从图4可以看出，没有添加TP的CCF-0表面不致密，上面有少许小孔洞或沟壑存在；与CCF-0相比，添加了TP的CCF-1、CCF-2和CCF-3的表面均致密无孔洞，且随着TP用量的增加，膜表面的颗粒数量逐渐增多.从图5可以看出，CCF-0断面不致密且存在有横向缝隙；随添加的TP量逐渐增多，CCF-1～CCF-3的断面缝隙变少至逐渐紧实.此现象应与茶多酚填充分散于胶原纤维链间并与胶原发生作用有关，随着TP用量的增加，纤维内部得到充分地填充，致密性逐渐增强，甚至于胶原复合膜表面也富集有颗粒.

2.5 胶原复合膜的亲疏水性

用接触角测量仪测试了CCF表面的静态接触角以说明膜的亲疏水性，其结果如图6所示.从图6可知，CCF-0、CCF-1、CCF-2和CCF-3表面的水接触角分别为93.4 °、99.6 °、119.5 °和124.3 °，均大于90 °，说明为疏水表面.而且随TP用量的升高，CCF表面的水接触角逐渐增大.原因可能为：

一方面，牛干灰皮胶原纤维中的油脂去除不太彻底，故以它为基础所制得的胶原膜略显疏水性.当添加TP后，胶原中的亲水性羟基、羰基或氨基会与之发生氢键作用，从而被埋藏于CCF表面内，另外，也造成CCF表面致密性增加，水分子难以向膜内渗透，因而疏水性增强[26].

另一方面，根据Wenzel表面润湿方程cosθrw=rcosθc[27]，其中θrw为粗糙表面上的实际CA，r为液体与固体表面接触面积和粗糙表面的突出面积的比值，一般r>1.由于CCF表面是疏水的，也即θc>90 °，可知表面越粗糙，θrw越大.结合图4的结果可知，随TP用量的升高，CCF表面粗糙度有一定程度地增加，也即CCF表面的疏水性相应增加.综合上述两方面原因，随着茶多酚用量的增加，CCF表面的疏水性增大.

图6 CCF表面的水接触角

2.6 机械性能

胶原复合膜的厚度及机械性能测试结果如表2所示.由表2可以看出，加入TP的胶原复合膜和纯胶原膜的厚度没有显著差别，其分布范围在0.15～0.18 mm.

表2 胶原复合膜的机械性能

纯胶原膜的抗张强度和断裂伸长率分别为5.17 MPa和6.1%，随着茶多酚含量的增加，抗张强度呈上升趋势，分别增加了5.0%、72.3%和89.2%；断裂伸长率逐渐下降，分别下降了8.2%、52.5%和69.5%.这一结果可能与茶多酚和胶原纤维中的活性基团发生氢键或其它作用有关，这些作用力导致了胶原复合膜的强度增加，韧性下降.当TP用量较少时，作用力较弱，故抗张强度略微增大，断裂伸长率稍作降低；当TP用量大于1%时，作用力较强，故抗张强度和断裂伸长率变化较大.因此，合适茶多酚的加入可有效地提高胶原膜的机械性能.而此结果也与有关文献的研究结果相一致[28-30].

3 结论

以牛干灰皮胶原纤维为原料，通过添加甘油和不同用量的茶多酚，采用溶液铸膜法制备了系列茶多酚改性胶原复合膜并研究了膜的性能.随着茶多酚用量的增加，CCF内胶原肽链主要以无定形态分布且胶原链间横向堆积距离有变大趋势.CCF的热稳定性增加.CCF表面的空洞消失且颗粒数量逐渐增加，膜断面的紧实度也不断增大.CCF的疏水性增加，表面静态水接触角由对照组的93.4 °逐渐增加至124.3 °.膜抗张强度也由5.17 MPa增加至9.78 MPa，延伸率由6.1%降至2.5%.因此，本研究可为牛干灰皮胶原纤维的资源化利用带来新的契机.